黎莫清，周小武，莫益江

(廣西壯族自治區(qū)河池市氣象局，廣西 河池 547000)

LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

雷擊接閃桿對DDZ5新型自動氣象站的影響及防護(hù)措施

黎莫清，周小武，莫益江

(廣西壯族自治區(qū)河池市氣象局，廣西 河池 547000)

當(dāng)雷擊接閃桿向地網(wǎng)泄流時，泄流通道會產(chǎn)生閃電電磁輻射及地電位升高，對DDZ5自動氣象站系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。針對這一問題，分析了雷擊接閃桿干擾侵入自動氣象站系統(tǒng)的途徑，提出了通過截斷干擾“源頭”的方式，即切斷電源線、通信線及設(shè)備地線的引雷途徑，提出了地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計、SPD保護(hù)及屏蔽和合理布線等保護(hù)措施，可以有效地屏蔽雷擊引起的地電位反擊，提高自動氣象站系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

自動氣象站；雷擊電涌；地網(wǎng)設(shè)計；SPD；屏蔽

1 引言

DZZ5新型自動氣象站[1-2]是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)外部總線技術(shù)構(gòu)建的自動氣象站，是集高精度、多功能、全要素的第二代自動氣象站，是實現(xiàn)國家級臺站觀測業(yè)務(wù)自動化的重要基礎(chǔ)。自動氣象站多建于效外，所處地勢高，地域空曠，且設(shè)備耐壓水平低，極易遭受雷電過電壓的干擾，對探測系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。對于自動氣象站的雷電防護(hù)[3-9]，研究較為全面，包括直擊雷防護(hù)措施，如接閃桿、引下線、接地裝置等；還有閃電電涌防護(hù)措施，如SPD保護(hù)、等電位連接、屏蔽、共用接地系統(tǒng)等。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范[10-14]對自動氣象站的防雷設(shè)計與施工有詳細(xì)明確的規(guī)定，但是已按規(guī)范安裝完善防雷設(shè)施的自動氣象站，仍常遭受雷擊，對于雷擊的成因尚未有新的分析。本文著重分析由接閃桿接閃引來的間接雷害問題，如閃電電磁輻射、地電位反擊等對自動氣象站系統(tǒng)的干擾，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

2 接閃桿泄流通道產(chǎn)生的電磁輻射(LEMP)

自動氣象站防直擊雷措施采用獨(dú)立接閃桿或風(fēng)桿作保護(hù)，利用桿體或外引導(dǎo)體作引下線，引下導(dǎo)體成為雷電閃擊時的主電流通道(電流注)。由于雷電流有極大的峰值和陡度，在接閃桿周圍的空間有強(qiáng)大的變化的電磁場，處在變化的電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢，如圖1所示。

圖1 接閃桿開口金屬環(huán)感應(yīng)電勢

接閃桿(電流注)AM與一個有氣隙的正方形金屬開口環(huán)處于同一平面上，x1為正方形方框與AM的距離；x2是方框的另一邊與AM的距離，金屬環(huán)的邊長為l，由電磁感應(yīng)定律可知，開口金屬環(huán)上的最大感應(yīng)電壓：

(1)

如果不考慮電壓方向，則

(2)

根據(jù)電磁場理論：

(3)

因此，在接閃桿(電流注)附近開口金屬環(huán)上最大感應(yīng)電動勢為：

(4)

若接閃桿與金屬環(huán)之間的夾角為α，則式(4)后邊應(yīng)乘以cosα。

從圖2可以得出隨著距離的增加，感應(yīng)電壓逐漸衰減，感應(yīng)電壓值與方環(huán)至AM的距離x1成反比。若圖中金屬框K的邊長l等于5 m，閃擊電流峰值分別選50 kA、100 kA，閃擊電流波形前沿取2.5 μs，則距離雷擊點(diǎn)方圓20 m處可以感應(yīng)出4.5 kV、8.9 kV的電壓，這個危險電壓在雷雨天氣足以擊穿自動氣象站設(shè)備電路板的間隔氣隙。

圖2 5 m×5 m金屬環(huán)上的開口感應(yīng)電壓曲線

3 地電位反擊

當(dāng)接閃桿接閃時，雷電流沿泄流通道AM(引下線或桿體)注入地網(wǎng)，整個觀測場地網(wǎng)電位升高，與地網(wǎng)相連的接地匯流排及與接地匯流排作等電位連接的設(shè)備外殼其電位也隨之升高，而探測系統(tǒng)電路板PCB的接地端均與采集器設(shè)備外殼相連，將高電位傳至主采集器電路板，主采集器又與值班室有多條線路相連，其中包括(R、T、G、P)4條線路，這相當(dāng)于從值班室引來了遠(yuǎn)地的零電位，觀測場探測系統(tǒng)電路板的接地端與值班室引來的通信線路接口由于高的電位差，發(fā)生反擊放電，損壞設(shè)備。如圖3所示。

另外，觀測場內(nèi)各設(shè)備共用接地，各分采設(shè)備與主采集器均布置在觀測場內(nèi)不同的方位，相距有一定的距離，若獨(dú)立接閃桿接閃，會引起地網(wǎng)電位升高且分布不均勻，導(dǎo)致各地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生高電位差。

圖3 自動氣象站地電位反擊示意圖

4 防護(hù)措施

自動氣象站系統(tǒng)與外界聯(lián)系有3種，即電源線、信號線、設(shè)備地線。無論電涌過電壓產(chǎn)生的形式如何，其最終會通過這3種途徑中的一種或幾種對設(shè)備放電，造成設(shè)備損壞。因此對于自動氣象站系統(tǒng)的防雷保護(hù)，只要截斷該需要保護(hù)的空間與外界電涌過電壓的途徑，即可達(dá)到防護(hù)要求。由此可見，自動氣象站系統(tǒng)與外界聯(lián)系的帶電金屬線纜(引雷途徑)包括：電源線、控制通信線及設(shè)備的地線，即自動氣象站系統(tǒng)雷電防護(hù)主要是線路傳導(dǎo)電涌過電壓防護(hù)及地電位反擊防護(hù)。

4.1 地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

①若觀測場設(shè)置有獨(dú)立接閃桿保護(hù)，則宜采取“隔離”措施，設(shè)置獨(dú)立接地裝置，接閃桿及地網(wǎng)與其他金屬管線及觀測場內(nèi)地網(wǎng)應(yīng)保持足夠的安全距離。如果由于地形環(huán)境等無法設(shè)置獨(dú)立接地裝置，則獨(dú)立接閃桿地網(wǎng)與觀測場內(nèi)地網(wǎng)可共用接地，但是嚴(yán)禁兩者就近共用連接地網(wǎng)，應(yīng)在地網(wǎng)最遠(yuǎn)端連接，兩者地網(wǎng)連接沿接地體長度OA應(yīng)滿足下式要求，且不應(yīng)<20 m：

(5)

式中：l為地網(wǎng)連接長度(m)，ρ為土壤電阻率(Ωm)。

②采用風(fēng)桿接閃桿作為直擊雷防護(hù)措施的站點(diǎn)，其接閃桿及引下線的布置參照規(guī)范[10]要求進(jìn)行設(shè)計，接閃桿及引下線與風(fēng)桿桿體保持足夠的絕緣，均采用絕緣橫擔(dān)和絕緣子沿風(fēng)桿拉線引至觀測場地網(wǎng)外圍接地，接地點(diǎn)與觀測場地網(wǎng)距離應(yīng)≥3 m，風(fēng)桿接閃桿在外圍設(shè)置相對獨(dú)立的集中接地。為使雷電流快速分流，可在地網(wǎng)外圍增設(shè)數(shù)條放射狀水平接地極。風(fēng)桿接閃桿地網(wǎng)與觀測場地網(wǎng)可共用接地，但是嚴(yán)禁兩者就近共用連接地網(wǎng)，應(yīng)在地網(wǎng)最遠(yuǎn)端連接，兩者地網(wǎng)連接沿接地體長度OA應(yīng)滿足(5)式要求，且不應(yīng)<20 m。

③觀測場地網(wǎng)應(yīng)設(shè)計為正方形網(wǎng)格狀環(huán)形地網(wǎng)，使整個地網(wǎng)電位分布均勻，減小各地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的地位差。接地網(wǎng)格參照一類防雷網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸≤5 m×5 m，與值班室地網(wǎng)作等電位連接，連接點(diǎn)不少于兩處。如圖4所示。

圖4 自動氣象站地網(wǎng)布置圖

④觀測場電纜溝內(nèi)應(yīng)設(shè)置等電位連接帶，該帶嚴(yán)禁從風(fēng)桿接閃桿接地線處或附近直接接入，接入點(diǎn)要有足夠的安全散流距離。電纜溝應(yīng)敷設(shè)與電纜溝平行的均壓水平接地極。

⑤在接閃桿接地處及主采集器等設(shè)備接地處增設(shè)垂直接地極，特別是接閃桿外引接地處可以采用深基礎(chǔ)接地，將風(fēng)桿拉線塔基礎(chǔ)埋深3m以上，利用塔基鋼筋作自然接地體；或采取深井接地，采用機(jī)械鉆井方式，打深孔10～15 m，孔直徑φ100，使用φ100鍍鋅鋼管作接地極打入孔內(nèi)，鋼管內(nèi)及外空隙施放的物理降阻劑，可以有效降低沖擊接地電阻，使雷電流快速分流泄壓，改善地電位分布梯度。

4.2 SPD保護(hù)

4.2.1 電源系統(tǒng)SPD保護(hù) 自動氣象站場室低壓配電線路應(yīng)設(shè)專線供電，采用具有金屬護(hù)套或絕緣護(hù)套電纜穿金屬管全線埋地引入，金屬管及電纜金屬護(hù)套兩端應(yīng)就近可靠接地。低壓配電系統(tǒng)設(shè)置4級SPD進(jìn)行保護(hù)，其參數(shù)性能如表1所示。主采集器箱的SPD4宜選用B+C型，因為觀測場存在雷擊接閃桿導(dǎo)致雷電流引入地網(wǎng)的可能，會造成高電壓引入，對電氣系統(tǒng)產(chǎn)生反擊，應(yīng)考慮直擊雷能量的地電位反擊，安裝兼有直擊雷和感應(yīng)雷防護(hù)功能的復(fù)合型SPD。

表1 電源系統(tǒng)SPD配置圖

4.2.2 信號系統(tǒng)SPD保護(hù) 自動氣象站采用“主采集器+外部總線+分采集器+傳感器+外圍設(shè)備”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，各設(shè)備通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需采取電涌過電壓保護(hù)的線路較多，且各采集終端安裝空間有限，SPD宜設(shè)計為集成電路板式(PCB)，需保護(hù)的線路主要分為傳感器至分采終端、分采終端至主采集器及主采集器至終端計算機(jī)這3類，SPD的配置圖如圖5所示。

考慮到觀測場風(fēng)桿接閃桿地網(wǎng)與觀測場共用接地，為防止地網(wǎng)引入高電位對電子系統(tǒng)線路產(chǎn)生反擊，信號SPD應(yīng)具有直擊雷能量防護(hù)功能，宜選用D1類高能量信號電涌保護(hù)器，其開路電壓≥1 kV，短路電流為0.5～2.5 kA(10/350 μs)，最大持續(xù)工作電壓UC應(yīng)大于線路上最大工作電壓的1.5倍(UC>1.5 UDC)，電壓保護(hù)水平UP應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓額定值(UP≤UW)， SPD參數(shù)及接口型式應(yīng)符合系統(tǒng)要求。在安裝中還應(yīng)注意：①接至SPD保護(hù)端口的線路不要與接至非保護(hù)端口的線路、接地導(dǎo)體一同敷設(shè)；②從SPD保護(hù)側(cè)接至需要保護(hù)的電子設(shè)備(ITE)的線路宜短或加以屏蔽。

4.3 屏蔽及合理布線

電纜的屏蔽效果可用其轉(zhuǎn)移阻抗予以表征，轉(zhuǎn)移阻抗越小，屏蔽效果越好。實驗數(shù)據(jù)表明[16]，電纜外皮采用編織的金屬網(wǎng)時，由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致外皮電阻增加，以及穿過外皮的漏磁通增加，轉(zhuǎn)移阻抗隨著頻率的升高而增大；若外皮是連續(xù)的金屬管時，頻率升高，轉(zhuǎn)移阻抗有所下降，表現(xiàn)出更好的屏蔽效果。因此，自動氣象站的屏蔽及布線主要措施有以下3點(diǎn)：

圖5 自動氣象站信號系統(tǒng)SPD布置圖

②設(shè)備屏蔽。對于設(shè)備屏蔽主要采用設(shè)備本身的金屬外殼作為屏蔽體，觀測場內(nèi)主采集器及各采集終端箱體外殼應(yīng)就近與觀測場等電位帶電氣連接。

③合理布線。布置自動氣象站系統(tǒng)線纜路由走向時，應(yīng)盡量減小由線纜自身形成的電磁感應(yīng)環(huán)路面積。各采集設(shè)備數(shù)據(jù)線應(yīng)單獨(dú)設(shè)置鍍鋅鋼管專線敷設(shè)，不宜將所有采集線路放入同一線槽或金屬管敷設(shè)。主采供電電源線路、數(shù)據(jù)線路及監(jiān)控照明等其他線路應(yīng)分別穿金屬管分開敷設(shè)，嚴(yán)禁將電源線路及信號線路等混裝。

5 結(jié)論

雷電對自動氣象站系統(tǒng)造成的干擾和破壞主因是雷電接閃通道產(chǎn)生閃電電磁輻射及地電位升高，通過電源線、通信線及設(shè)備地線侵入系統(tǒng)內(nèi)部，發(fā)生擊穿放電。對此本文提出了相應(yīng)的防護(hù)措施：①若觀測場設(shè)置有獨(dú)立接閃桿保護(hù)，宜設(shè)置獨(dú)立接地裝置，若無法實現(xiàn)隔離或采用觀測場風(fēng)桿作接閃桿時，接閃桿地網(wǎng)與觀測場內(nèi)地網(wǎng)可共用接地，但嚴(yán)禁兩者就近共用連接地網(wǎng)，應(yīng)在地網(wǎng)最遠(yuǎn)端連接，兩者地網(wǎng)連接沿接地體長度L≥2，且不應(yīng)<20 m；②采取正方形網(wǎng)格狀環(huán)形地網(wǎng)，在重要設(shè)備及引下接地處增設(shè)垂直接地極，設(shè)置深基礎(chǔ)接地或深井接地，可以有效改善地電位分布梯度；③在供電線路設(shè)置相應(yīng)電壓等級的SPD進(jìn)行保護(hù)，在傳感器至分采終端、分采終端至主采集器及主采集器至終端計算機(jī)的通信線安裝與系統(tǒng)相匹配的信號SPD；④所有線路均采用屏蔽電纜并穿鍍鋅鋼管全線埋地敷設(shè)，電纜屏蔽層及鋼管兩端接地。

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LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

貴州省氣象學(xué)會嚴(yán)正聲明

近期，網(wǎng)上出現(xiàn)了虛假的《貴州氣象》網(wǎng)站。為避免作者上當(dāng)受騙，貴州省氣象學(xué)會特此聲明并告知廣大作者：貴州省氣象學(xué)會主辦的《貴州氣象》一貫秉承嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)和期刊編輯規(guī)范，所有稿件必須通過《貴州氣象》唯一的官方在線投審稿系統(tǒng)(http://gzqx1962.com/)進(jìn)行投稿，稿件經(jīng)編輯部初審?fù)ㄟ^后送相關(guān)審稿專家進(jìn)行同行評議，最后通過主編審稿環(huán)節(jié)后才最終確定是否錄用。我刊沒有對作者投稿收取審稿費(fèi)，稿件確定錄用并經(jīng)過編校后會將版面費(fèi)收取通知通過郵箱發(fā)給作者，收款帳戶為單位公用帳號，編輯部不會以個人名義收取任何費(fèi)用。

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Lightning Rod’s Influence on DDZ5 New Automatic Weather Station as well Protection Measures

When the lightning rod is leaking into the network，the discharge channel can generate the electromagnetic radiation and the earth potential，causing serious interference to the DDZ5 automatic weather station system.Aiming at this problem，analysis of the lightning ground flash rod interference invading automatic weather station system approach，proposed by truncation interference source，cut power lines，communication lines and the ground wire of the equipment of triggered lightning way，put forward the network optimization design，the SPD protection and shielding and reasonable wiring and other protective measures，can effectively shield caused by lightning ground potential counterattack，improve the automatic weather station system operation security and reliability.

Automatic weather station； lightning surge； network design； SPD；shielding

2015-05-05

廣西河池市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項目：“山區(qū)自動氣象站雷災(zāi)成因分析及防御對策?！?/p>

黎莫清(1982—)，男，工程師，主要從事防雷技術(shù)服務(wù)工作。

1003-6598(2015)05-0053-05

TM865

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